Принтеры с твердотельными красителями (твердыми чернилами) не так сильно распространены, как, наверное, хотелось бы очень многим пользователям, ведь эти устройства позволяют создавать на бумаге очень качественное цветное изображение. Принтеры с этим способом создания изображения вполне могут составить конкуренцию цветной лазерной печати. Однако сдерживающим распространение этого способа печати фактором является относительно высокая стоимость самих принтеров и некоторые особенности их эксплуатации. Об этом очень необычном и интересном принципе печати рассказывается в данной статье.
Принтеры с твердотельными красителями, твердокрасочные прин¬теры (в английском варианте — Solid Ink) являются оригинальным развитием струйной технологии. Этот тип принтеров был разработан компанией Tektronix. Но в последнее время они выпускались фирмой Xerox, которая выкупи¬ла у Tektronix подразделение, занимавшееся печатающими устройствами. Фирмой разработчиком принцип печати этих принтеров обозначается как Phase-change Ink Jet, т.е. способ печати каплями чернил, изменяющих фазу (твердые – жидкие – твердые). В твердокрасочном принтере, как и в струйном, используется печатающая головка с соплами. Основное отличие твердокрасочных принтеров от всех других состоит в типе красителя и способе его доставки на носитель. Красители этих принтеров изначально находятся в твердой форме. Для получения изображения краситель расплавляется, после чего он наносится на бумагу путем распыления через сопла печатающей головки (как в струйных принтерах). После выхода листа бумаги из принтера краситель снова застывает.
После очень краткого введения в основы печати твердыми красителями, переходим к более подробному рассмотрению сути вопроса. В качестве примера для рассмотрения принципа работы принтера с твердыми чернилами возьмем модель Phaser 340 (рис1).
Рис.1
Практически все современные принтеры, работающие по технологии твердых чернил, имеют точно такое же построение, такие же функциональные блоки и такую же компоновку элементов (даже внешне отличить некоторые современные модели от модели Phaser 340 невозможно).
Обзорная схема размещения основных узлов этого принтера представлена на рис.2.
Рис.2
В качестве основных этапов создания изображения в принтерах Tektronix можно назвать:
1. Разогрев бумаги.
2. Разогрев барабана.
3. Нанесение смазывающего слоя на барабан.
4. Разогрев твердотельных красителей, т.е. переход их в жидкую фазу.
5. Подача чернил в печатающую головку.
6. Создание изображения на барабане с помощью чернил.
7. Перенос изображения с барабана на бумагу.
8. Отделение бумаги от барабана.
9. Выдача бумаги в выходной лоток и застывание чернил, т.е. переход их снова в твердую фазу.
10. Очистка барабана от остатков чернил.
Так как процесс создания изображения в принтерах с твердыми чернилами является достаточно сложным и многоступенчатым, основные этапы, обозначенные выше, перечислены не совсем в том порядке, в котором это происходит на самом деле.
Все этапы создания изображения можно объединить в три процесса, два из которых выполняются практически параллельно. Итак, этими процессами являются:
1. Подготовка и обслуживание барабана.
2. Подготовка чернил.
3. Печать.
Подготовка и обслуживание барабана
Барабан является одним из центральных модулей принтера. На поверхности этого барабана создается изображение, которое впоследствии переносится на бумагу, т.е. этот барабан можно считать промежуточным носителем изображения.
В рассматриваемой модели принтера барабан вращается с разными скоростями в зависимости от этапа создания изображения:
- барабан вращается с линейной скоростью 51 см/сек. во время подготовки барабана к процессу формирования изображения;
- барабан вращается с угловой скоростью 190 оборотов в минуту во время нанесения изображения на барабан;
- во время переноса изображения с барабана на бумагу, вращение осуществляется с угловой скоростью около 24 об/мин.
Скорость вращения барабана должна быть очень стабильной, т.к. это является одним из главных условий создания качественного изображения. Барабан приводится в движение сервомотором с замкнутым циклом управления, что и позволяет обеспечивать стабильность скорости вращения. Скорость вращения барабана контролируется схемой управления с помощью датчика (энкодера).
Энкодер представляет собой колесо с прорезями и оптопрау, световой поток которой пересекается этим самым колесом. В результате, при вращении колеса, на выходе оптопары формируется последовательность импульсов. Колесо энкодера установлено на оси барабана, поэтому частота выходных импульсов оптопары соответствует скорости вращения этого барабана. Схема управления сервомотором контролирует частоту импульсов от энкодера и корректирует управляющие сигналы для двигателя барабана таким образом, чтобы поддерживать его скорость постоянной.
Крутящий момент на барабан передается от сервомотора с помощью двух редукторных ремней. Общий вид модуля барабана показан на рис.3.
Рис.3
Температура барабана в процессе печати должна быть равна 49°С. Для контроля температуры, в принтере имеется соответствующий датчик, контактирующий с поверхностью барабана. Если температура барабана становится ниже 49 °С, то схема управления принтером включает нагреватель барабана, а если температура становится выше заданного значения, то включается вентилятор, обеспечивающий быстрое принудительное охлаждение барабана.
Очень интересной особенностью процесса создания изображения на барабане является то, что его поверхность перед нанесением чернил должна быть смазана специальным силиконовым маслом. Нанесение смазки и является процедурой подготовки барабана к процессу печати. Во время процедуры нанесения масла барабан вращается с меньшей скоростью, чем во время печати. Масло наносится на поверхность барабана очень тонким слоем (порядка 7,5 мкм). Данная смазка позволят облегчить процесс отделения чернил от поверхности барабана, и способствует их лучшему последующему переносу на бумагу. Смазывающее масло хранится в специальном резервуаре емкостью 100 мг. Стоит обратить внимание, что это масло может вытекать из резервуара в том случае, если принтер установлен не по уровню, поэтому в принтерах с твердыми чернилами необходимо весьма серьезно отнестись к процедуре их установки на рабочем месте.
Для нанесения смазки имеется специальный тампон, на который подается смазывающее масло. Этот тампон входит в состав, так называемого, обслуживающего картриджа (рис.4), в состав которого также входят еще чистящее лезвие, емкость для сбора «отработанных» чернил и емкость со смазывающим маслом. Как видно по рис.4 смазывающий тампон соприкасается с поверхностью барабана, нанося на нее масло, а стоящим чуть дальше лезвием излишки масла удаляются, создавая тем самым тонкий слой смазки толщиной в несколько микрон.
Рис.4
Но смазка наносится не на всю поверхность барабана. На участке барабана, соответствующем передней кромке листа бумаги, создается область, в которой смазка отсутствует, т.е. на переднем крае изображения создается сухая полоска, на которую чернила наноситься не должны. Сухая полоска предотвращает появление масляных пятен на передней кромке листа, и предотвращает замасливание отделительных пальцев, обеспечивающих отделение бумаги от барабана. Для получения сухой кромки, масляный тампон опускается (рис.5) и перестает контактировать с барабаном, а лезвие, наоборот, поднимается, обеспечивая более плотное соприкосновение, а, значит, и полную очистку поверхности. Таким образом, обслуживающий картридж и отдельные его компоненты должны иметь возможность подниматься и опускаться. Такое перемещение обеспечивается отдельным мотором (process motor), соленоидом, трехпозиционной муфтой и кулачком.
Рис.5
Во время создания изображения обслуживающий картридж полностью опускается (рис.6), чтобы не касаться поверхности барабана, на которую наносятся чернила. Однако после переноса чернил с поверхности барабана на бумагу, обслуживающий картридж опять поднимается и чистящее лезвие удаляет с поверхности остатки чернил, которые не были перенесены на бумагу. «Отработанные» чернила попадают в специальный бункер (отстойник).
Рис.6
Для того чтобы обслуживающий картридж управлялся синхронно с процессами формирования и переноса изображения, а также для того, чтобы можно было создавать сухую полоску на передней кромке изображения, необходимо иметь возможность определять «условно-начальную» позицию барабана. Для определения этой начальной позиции в принтере имеется соответствующий датчик (см. рис.3). Этот датчик, являющийся оптопарой, реагирует на прохождение «флажка» начальной позиции. Этим флажком, находящимся на колесе энкодера, пересекается световой поток оптопары и именно это и является сигналом того, что барабан занял исходное положение.
Подготовка чернил
Чернила изначально находятся в твердом состоянии в виде брикетов-кирпичиков небольшого размера, равного примерно размеру двух коробков спичек. Эти брикеты загружаются в принтер, в соответствующий приемник, состоящий из четырех отсеков. Для доступа к блоку загрузки необходимо открыть верхнюю крышку принтера. Каждому цветному брикету строго соответствует свой отсек. Чтобы пользователь не мог случайно перепутать отсеки, брикеты чернил выполняют фигурными, т.е. каждому цвету соответствует своя уникальная форма брикета, а поэтому каждый такой брикет можно вставить только в один, соответствующий ему отсек.
Брикеты чернил в отсеках начинают подогреваться специальными нагревательными элементами. В результате чернила расплавляются, переходя в фазу жидкости. Нагревательных элементов должно быть четыре – по одному на каждый отсек. В результате, из блока загрузки чернила по четырем раздельным каналам подаются в печатающую головку уже в виде жидкости, т.е. принтер теперь можно рассматривать как струйный принтер.
Количество чернил в загрузочных отсеках контролируется двумя датчиками:
- датчиком малого количества чернил (предупреждает о скором окончании чернил);
- датчиком окончания чернил (предупреждает о полном отсутствии чернил).
По два датчика количества чернил установлено в каждом отсеке.
Брикеты чернил можно загружать в принтер непосредственно во время печати, что позволяет обеспечить непрерывность процесса.
Печать
Без преувеличения, печатающая головка является самым основным и самым необычным элементом твердокрасочного принтера.
Нужно начать с того, что печатающая головка по ширине практически равна барабану переноса (рис.7). Печатающая головка подвижна в горизонтальном направлении (в направлении оси Х, как это показано на рис.7).
Рис.7
Диапазон перемещения в этом направлении составляет около 5 мм. Для обеспечения перемещения головки в направлении X в принтере имеется специальный шаговый двигатель (X-axis Motor). Этим двигателем с помощью ворота перемещается рычаг, приводящий в действие ось, на которой, в свою очередь, закреплена печатающая головка (рис.8). Исходная позиция головки определяется датчиком Home.
Рис.8
Чернила из загрузочных отсеков перетекают в алюминиевые резервуары печатающей головки. Температура чернил в резервуарах поддерживается на уровне 140°С с помощью нагревателей печатающей головки. Такая температура является оптимальной для процесса печати. Уровень чернил в резервуарах головки поддерживается на постоянном уровне и этот уровень контролируется датчиками уровня жидкости резистивного типа.
В печатающей головке имеется 352 дюзы, через которые разбрызгиваются чернила на поверхность барабана. Число 352 получается очень просто – каждому из четырех первичных цветов соответствует 88 дюз (88х4=352). Дюзы расположены в горизонтальном направлении, т.е. дюзы, соответствующие одному цвету, образуют строку. В результате, на головке можно видеть четыре ряда дюз (рис.9). Если смотреть в «фас» печатающей головки, то дюзы, соответствующие желтому цвету образуют верхнюю строку, а дюзы черного цвета – нижнюю. Расстояние между строками «цветных» дюз соответствует 24 точкам (при разрешении 300 dpi), а расстояние между «пурпурной» и «черными» строками соответствует 12 точкам. Кроме того, «черная» строка смещена на 2 точки влево относительно «цветных» строк.
Рис.9
Между двумя соседними дюзами одной строки «располагается» 28 точек, если говорить о печати с разрешением 300 dpi. Печатающая головка, как уже говорилось, перемещаясь в горизонтальном направлении на 5 мм, позволяет пропечатывать эти 28 точек. Если используется разрешение 600 dpi, то между соседними дюзами одной строки должно помещаться 56 точек. Как, наверное, уже понятно, такое конструктивное решение имеет ряд преимуществ:
- во-первых, позволяет снизить количество необходимых для печати дюз (если сравнить с решением, когда каждой точке строки соответствует своя дюза);
-во-вторых, позволяет отказаться от традиционного построения головки, при котором она перемещается на всю ширину печати (вместо этого горизонтальный ход головки составляет всего 5мм). Широкая головка увеличивает скорость печати и повышает надежность системы, т.к. отсутствуют традиционный приводной ремень и направляющая ось, которая постоянно загрязняется.
В каждой из 352 дюз установлен пьезоэлектрический элемент, приводящий в действие диафрагму, которая выталкивает порцию чернил через выходное отверстие дюзы. Таким образом, в принтерах с твердыми чернилами применяется пьезоэлектрический способ формирования капель чернил, как и в принтерах EPSON.
Теперь рассмотрим, как создается изображение на поверхности барабана. Для осуществления печати головка подводится барабану, на который уже нанесен слой силиконового масла. Барабан разгоняется до скорости 190 об/мин и когда скорость достигнет заданного значения, начинается нанесение чернил на смазанную поверхность. По командам от микропроцессора принтера, который растрирует изображение, в нужные моменты времени начинают срабатывать дюзы печатающей головки. За один оборот на поверхности барабана создается 88 столбцов изображения – по количеству дюз головки (рис.10). Далее печатающая головка смещается в горизонтальном направлении (по оси Х) на расстояние одной точки, и за следующий оборот барабана на его поверхность наносятся еще 88 столбцов изображения и т.д. Таким образом, окончательное изображение создается за 28 полных оборотов барабана, причем за каждый оборот создается 88 параллельных полосок изображения, и каждый оборот характеризуется горизонтальным смещением головки на фиксированный шаг.
Рис.10
При печати с разрешением 600 dpi изображение создается за 56 полных оборотов барабана. В этом случае печатающая головка смещается по горизонтали на расстояние вполовину меньшее, чем при печати с разрешением 300 dpi.
Когда формирование изображения на барабане практически закончится, из входного лотка подается бумага, и начинается процесс переноса чернил на бумагу. Лист бумаги, на пути к барабану проходит через нагревательный элемент (рис.11), который обеспечивает подогрев бумаги, что в итоге, способствует лучшему переносу чернил.
Рис.11
Для обеспечения переноса, лист подогретой бумаги прижимается к поверхности барабана. Перенос чернил с барабана на бумагу обеспечивается разностью свойств их поверхностей. Шероховатая поверхность бумаги «перетягивает» чернила с гладкой и смазанной поверхности барабана. Прижим бумаги к барабану обеспечивается переносящим (transfix) роликом. Этот ролик расположен на эксцентриковой оси, которая позволяет управлять его положением. Ось приводится в действие служебным мотором (Process Motor – это тот же самый двигатель, что используется и для перемещения обслуживающего картриджа). В период, когда барабан прокручивается 28 раз, и на него наносятся чернила печатающей головкой, переносящий ролик отодвигается от поверхности барабана, чтобы не мешать процессу «рисования». Когда выходной датчик нагревателя бумаги фиксирует передний край листа, переносящий ролик подается к поверхности барабана и фактически соприкасается с ней. Лист бумаги оказывается между барабаном и роликом переноса.
Далее лист бумаги необходимо отделить от поверхности барабана. Для этого в принтере имеются специальные пальцы отделения. Эти пальцы соприкасаются с поверхностью барабана только в процессе переноса изображения на бумагу. На этапе «прорисовки», пальцы отводятся от поверхности барабана, чтобы не стать причиной смазывания чернил. В процессе соприкосновения бумаги с поверхностью барабана пальцы опускаются на барабан, чтобы отделить передний край листа. При этом стоит обратить внимание, что пальцы соприкасаются с поверхностью барабана в течение очень короткого периода времени – только пока проходит сухая полоска передней кромки изображения (о ее формировании рассказывалось выше). Как только эта сухая полоска закончится, пальцы отводятся от поверхности барабана, чтобы, опять-таки, не смазывать чернила. Отделенный от барабана лист бумаги, выходными роликами выбрасывается из принтера. Процесс печати завершен.
Обслуживание
Но рассказ об особенностях принтера с твердыми чернилами Phaser 340 еще далек о завершения. Серьезного внимания заслуживает печатающая головка принтера, для обслуживания которой в применяется много интересных технических решений.
Во-первых, нужно отметить, что печатающая головка может перемещаться не только в горизонтальном направлении для создания изображения во время печати, но может и менять свое положение относительно барабана, удаляясь или приближаясь к нему. Печатающая головка приближается к барабану во время печати, и отводится подальше от поверхности барабана для осуществления процедуры обслуживания печатающей головки (рис.12).
Рис.12
Обслуживание печатающей головки осуществляется специальным механизмом. Этот механизм обслуживания головки выполняет несколько
функций:
1. Осуществляет закрывание печатающей головки в периоды неактивности специальной крышкой, что предотвращает высыхание чернил в дюзах головки.
2. Осуществляет чистку поверхности печатающей головки от остатков чернил, что предотвращает появление грязи на распечатанных изображениях и предотвращает загрязнение головки (и, как следствие, ее «засыхание»).
3. Обеспечивает продувку выходных дюз головки, что способствует их глубокой очистке. Продувка дюз также крайне необходима при выключении принтера – это позволяет держать дюзы чистыми.
4. Удаляет из дюз и их каналов воздушные пузырьки, способные привести к появлению «пустых точек» на печатаемом изображении.
Механизм обслуживания головки представляет собой планку сложной конструкции, способную закрыть всю головку со стороны выходных дюз в то время, когда головка отводится от поверхности барабана. Эта планка может перемещаться вверх/вниз, осуществляя чистку головки. Для этого в принтере имеется еще один двигатель – двигатель блока обслуживания головки (Cap/wipe/purge assembly motor). Приводится в действие блок обслуживания головки с помощью приводного ремня. Вид сбоку на систему обслуживания головки представлен на рис.13. В периоды печати механизм обслуживания головки отводится в нижнее положение, чтобы не мешать перемещению головки к поверхности барабана. Контроль того, что механизм обслуживания занял исходное (нижнее) положение, осуществляется соответствующим датчиком.
Рис.13
Очень важное место во всех процедурах обслуживания головки отводится воздушному потоку и вакуумному отсосу, с помощью которых очень удобно проводить «прокачку» и очистку дюз. Для получения воздушной струи, а также для создания вакуума, в состав принтера вводится еще и воздушный нанос. Насос подключается к механизму обслуживания и к вакуумному аккумулятору через подвижный воздушный клапан (рис.14).
Рис.14
Общее представление о размещении элементов «воздушной» системы принтера дает рис.15.
Рис.15
Обслуживание печатающей головки может проходить по разным сценариям, в зависимости от времени неактивности принтера, объема печати и т.п. Такими вариантами обслуживания являются:
- быстрое вытирание головки;
- «короткая» чистка;
- «длинная» чистка.
Эти процедуры обслуживания головки состоят из нескольких этапов, выполняемых в разной последовательности и в разных объемах, а именно:
- очистка;
- вытирание;
- промывание;
- вибрационная очистка скребком.
Пожалуй, основную роль в процедурах очистки играет чистящий скребок (wiper blade), имеющий непосредственный контакт с поверхностью печатающей головки (рис.16).
Рис.16
Для обеспечения вакуумной зоны на поверхности головки, в составе обслуживающего механизма имеется прокладка из эластомера. Эта прокладка плотно закрывает по контуру выходную поверхность головки, образуя на ней зону низкого давления (рис.17).
Рис.17
Это позволяет предотвращать появление воздушных пузырьков в дюзах головки, а также позволяет проводить процедуру промывания и продувки дюз. Кроме того, в составе обслуживающего механизма имеется еще и нагревательный элемент, позволяющий разогревать чернила на поверхности головки. Вид со стороны головки на механизм обслуживания показан на рис.18.
Рис.18
Можно достаточно долго рассказывать о том, как осуществляется обслуживание печатающей головки, однако объема данной статьи не хватит, чтобы еще уместить в ней еще и это. Поэтому мы продолжим рассказ о принтерах, печатающих твердыми чернилами в следующих номерах нашего журнала. Кроме того, мы попытаемся сделать обзор положения твердотельных принтеров на современном рынке печатающих устройств, т.е. рассмотрим современные модели принтеров, рассмотрим вопросы обеспечения их расходными материалами, преимущества и недостатки их использования и особенности эксплуатации. Но это все еще впереди, а закончить рассказ о принципах печати твердыми чернилами, хотелось бы приведением схемы внутреннего устройства принтера (рис.19), показывающей размещение всех его узлов и механизмов.Мы намеренно делаем это после описания принципа работы принтера, т.к. теперь вам должно быть понятно назначение всех его функциональных элементов.
